三有源桥变换器功率解耦移相控制及电流有效值优化方法与流程

1.本发明涉及电力电子控制技术领域，具体是涉及一种三有源桥变换器功率解耦移相控制及电流有效值优化方法。


背景技术：

2.直流配电网不存在无功波动、谐波劣化、频率波动和同步振荡等问题，相比于交流配电网具有诸多优势，是分布式电源消纳的有效途径。直流变压器作为直流配电网的核心装备，其高效可靠运行对直流配电网具有重要意义。现有直流变压器多采用两端口拓扑结构，在直流配电网进行多电压等级能量变换时，需要配备多台两端口直流变压器。多台直流变压器共同运行不仅增加了能量转换次数和建设成本，端口间还会产生环流，导致协调控制难度大、系统稳定性降低。采用一台多端口直流变压器代替多台两端口直流变压器，能有效解决上述问题。
3.在多端口直流变压器拓扑结构中，三有源桥(three active bridge,tab)变换器因其具备电气隔离、宽电压范围以及潮流方向灵活可控等优点，具有较高的研究价值和应用潜力。三有源桥变换器作为直流配电网中的重要功率单元，其端口间更好的能量协调与能量转换效率对直流配电网具有重大的意义。然而，三有源桥变换器在现有的单移相(single phase shift,sps)控制下，同为输入和输出的端口之间存在的相位差就会导致耦合功率的产生，耦合功率的存在会加强端口之间的相互作用，在动态过程中加剧端口电压波动，影响变换器动态性能。此外，单移相控制受到其控制自由度限制，无法对电感电流进行控制，因此存在变换器运行过程中电流有效值较大的问题，导致变换器运行效率不高。所以，在对三有源桥变换器的运行效率进行优化提升时，选取一种能够同时实现变换器端口间解耦和电流有效值优化的控制方法对于降低三有源桥变换器的运行损耗具有十分重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种三有源桥变换器功率解耦移相控制及电流有效值优化方法，提升了三有源桥变换器的控制自由度，同时保证了各端口的传输功率范围；消除了同为输入或输出端口间的功率耦合，消除了端口间的相互影响；确定了基于功率解耦移相的最小电流有效值模式选取方式，实现了三有源桥变换器的最小电流有效值控制，提升了三有源桥变换器运行效率。
5.本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种三有源桥变换器功率解耦移相控制及电流有效值优化方法，包括以下步骤：
6.(1)设置功率解耦移相控制的必要条件，必要条件为2d4+d2＝2d5+d3；d2是端口二的交流侧电压方波v
h2
的内移相比，d3是端口三的交流侧电压方波v
h3
的内移相比，d4是端口一、二间的外移相比，d5是端口一、三间的外移相比；
7.(2)设置各移相比的精确度δd，取符合精度要求的各移相比数值；
8.(3)通过约束函数筛选符合要求的各移相比数值；
9.(4)计算各端口传输功率及电流有效值平方和；
10.(5)采集实际传输功率，确定功率的允许误差δp，以允许误差δp为约束条件，筛选符合要求的各端口传输功率的数值、各移相比数值、电流有效值平方和数值；
11.(6)找到最小电流有效值平方和及对应的移相比d2、d3、d4；
12.(7)生成控制各端口开关管开断的pwm控制信号。
13.进一步，所述步骤(2)的具体过程如下：
14.根据dsp控制器的周期计数器值设置移相比d的精确度δd，移相比d包括d2、d3、d4、d5，在移相比0≤d≤1，精确度δd的约束条件下，d2取符合条件的所有数值存入数组d2[l]，d3取符合条件的所有数值存入数组d3[l]，d4取符合条件的所有数值存入数组d4[l]。
[0015]
进一步，所述步骤(3)的具体过程如下：
[0016]
设置约束函数筛选数组d2[l]、d3[l]、d4[l]；约束函数为f
k
(d)≥0，其中通过约束函数f
k
(d)≥0筛选得到数组d2[m]、d3[m]、d4[m]。
[0017]
进一步，所述步骤(4)的具体过程如下：
[0018]
根据各端口传输功率表达式及电流有效值平方和表达式计算得到端口二的传输功率p2*、端口三的传输功率p3*及电流有效值平方和σi
rms2
，将计算得到的一组端口二的传输功率数值存入数组p2*[m]，将计算得到的一组端口三的传输功率数值存入数组p3*[m]，将计算得到的电流有效值平方和数值存入数组σi
rms2
[m]。
[0019]
进一步，所述步骤(4)中，各端口传输功率表达式及电流有效值平方和表达式为：
[0020][0021][0022]
其中：中间变量
[0023]
[0024][0025][0026]
v1是端口一的直流侧电压，v2是端口二的直流侧电压，v3是端口三的直流侧电压，三绕组高频变压器的变比为n1/n2/n3，n
12
＝n1/n2、n
13
＝n1/n3，v2'为端口二的直流侧电压折算到端口一的值，v3'为端口三的直流侧电压折算到端口一的值，v2'＝n
12
v2、v3'＝n
13
v3；l1为端口一的等效电感，l2为端口二的等效电感，l3为端口三的等效电感，l2'为端口二的等效电感折算到端口一的值，l3'为端口三的等效电感折算到端口一的值，l2'＝n
122
l2、l3'＝n
132
l3；为端口一的电流有效值；为端口二的电流有效值；为端口三的电流有效值；l
12
是端口一二的等效电感参数；l
13
是端口一三的等效电感参数；l
23
是端口二三的等效电感参数。
[0027]
进一步，所述步骤(5)的具体过程如下：
[0028]
采集三有源桥变换器在给定工况下端口二的实际传输功率p
2n
及端口三的实际传输功率p
3n
，根据采样精度确定功率的允许误差δp，以允许误差δp为约束条件，剔除数组p2*[m]、p3*[m]内不符合要求的数值，得到允许误差范围δp内的数组p2*[i]、p3*[i]，根据数组p2*[i]、p3*[i]和式(1)，剔除掉数组d2[m]、d3[m]、d4[m]中不符合要求的数值，得到新的数组d2[i]、d3[i]、d4[i]；根据数组d2[i]、d3[i]、d4[i]及式(2)、(3)、(4)、(5)，剔除掉数组σi
rms2
[m]中不符合要求的数值，得到新的数组σi
rms2
[i]。
[0029]
进一步，所述步骤(6)的具体过程如下：
[0030]
针对数组σi
rms2
[i]中的数值寻优，得到三有源桥变换器在给定工况下的最小电流有效值平方和min(σi
rms2
)，并且得到最小电流有效值平方和min(σi
rms2
)下对应的移相比d2、d3、d4。
[0031]
进一步，所述步骤(7)中，根据得到的最小电流有效值平方和min(σi
rms2
)和对应的移相比d2、d3、d4，生成控制各端口开关管开断的pwm控制信号。
[0032]
与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0033]
本发明可以不考虑三有源桥变换器的小信号模型和参数精度等，直接对三有源桥变换器的两个输出端口(端口二和端口三)进行功率解耦；在增加三有源桥变换器控制自由度、实现功率解耦的同时，可以保证三有源桥变换器的传输功率范围；利用功率解耦移相控制可以在实现端口间功率解耦的同时，优化三有源桥变换器运行过程中的电流有效值，提升了三有源桥变换器的运行效率。
附图说明
[0034]
图1是本发明实施例的三有源桥变换器的拓扑结构。
[0035]
图2是本发明实施例的三有源桥变换器的内部功率流动图。
[0036]
图3是本发明实施例的dsp控制器与三有源桥变换器的连接示意图。
[0037]
图4是本发明实施例的功率解耦移相控制下各端口电压方波图。
[0038]
图5是本发明实施例基于功率解耦移相控制的三有源桥变换器最小电流有效值控制流程图。
[0039]
图6是本发明实施例三有源桥变换器实现电流有效值优化的控制图。
[0040]
图7是现有单移相控制方法下的负载切换结果图。
[0041]
图8是本发明实施例功率解耦移相控制下的负载切换结果图。
[0042]
图9是本发明实施例功率解耦移相控制下不同电压调制比电流有效值优化效果图。
[0043]
图10是现有单移相控制方法下的各端口电感电流波形图。
[0044]
图11是本发明实施例功率解耦移相控制下的各端口电感电流波形图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
本发明三有源桥变换器的拓扑结构，如图1所示，由一个三绕组高频变压器，三个h桥功率单元，三个直流侧电容c1、c2、c3和三个端口等效电感l1、l2、l3组成。图1中v1是端口一的直流侧电压，v2是端口二的直流侧电压，v3是端口三的直流侧电压，三绕组高频变压器的变比为n1/n2/n3，n
12
＝n1/n2、n
13
＝n1/n3，v
h1
是端口一的交流侧电压方波，v
h2
是端口二的交流侧电压方波，v
h3
是端口三的的交流侧电压方波，单移相控制通过改变v
h1
、v
h2
、v
h3
的相位差调节三个端口间的传输功率大小和方向。
[0047]
本发明采用dsp控制器来控制三有源桥变换器，实现三有源桥变换器功率解耦移相控制及电流有效值优化。dsp控制器与三有源桥变换器的连接关系如图2所示。dsp控制器通过采集调理电路与三有源桥变换器的各端口直流侧连接，采集各端口信号后通过闭环控制程序生成pwm控制信号。软件部分是在ccs8.0编程环境下实现的，dsp控制器通过仿真器与电脑端ccs连接，闭环控制程序通过仿真器下载到dsp控制器中，实现调试与烧写。dsp控制器通过驱动电路与三有源桥变换器的各端口开关管连接，通过pwm信号驱动开关管的导通和关断。
[0048]
功率解耦移相控制在单移相控制的基础上，给两个输出端口的电压方波加入内移相比，通过控制两个端口的电压方波中线重合，使其端口间无功率流动。功率解耦移相控制下的三有源桥变换器内部功率流动如图3所示，可以看成两个两端口变换器的功率叠加。图4所示为三有源桥变换器端口电压方波中线重合时的各端口电压方波图，实现功率解耦移相控制策略的必要条件为端口移相比2d4+d2＝2d5+d3，d2是端口二的交流侧电压方波v
h2
的内移相比，d3是端口三的交流侧电压方波v
h3
的内移相比，d4是端口一、二间的外移相比，d5是
端口一、三间的外移相比。
[0049]
一种三有源桥变换器功率解耦移相控制及电流有效值优化方法见图5，具体按照以下步骤进行：
[0050]
步骤1：设置功率解耦移相控制的必要条件，必要条件为2d4+d2＝2d5+d3；
[0051]
步骤2：根据dsp控制器的周期计数器值设置移相比d的精确度δd，移相比d包括d2、d3、d4、d5，在移相比0≤d≤1，精确度δd的约束条件下，d2取符合条件的所有数值存入数组d2[l]，d3取符合条件的所有数值存入数组d3[l]，d4取符合条件的所有数值存入数组d4[l]；d5的取值可根据式2d4+d2＝2d5+d3计算得出；
[0052]
步骤3：设置约束函数筛选数组d2[l]、d3[l]、d4[l]；约束函数为f
k
(d)≥0，其中通过约束函数f
k
(d)≥0筛选得到数组d2[m]、d3[m]、d4[m]；f
k
(d)为三有源桥变换器工作在电流有效值最小的模式下的约束条件；
[0053]
步骤4：根据各端口传输功率表达式(1)及电流有效值平方和表达式(2)、(3)、(4)、(5)计算得到端口二的传输功率p2*、端口三的传输功率p3*及电流有效值平方和σi
rms2
，将计算得到的一组端口二的传输功率数值存入数组p2*[m]，将计算得到的一组端口三的传输功率数值存入数组p3*[m]，将计算得到的电流有效值平方和数值存入数组σi
rms2
[m]；
[0054][0055][0056]
其中：中间变量
[0057]
[0058][0059][0060]
v2'为端口二的直流侧电压折算到端口一的值，v3'为端口三的直流侧电压折算到端口一的值，v2'＝n
12
v2、v3'＝n
13
v3；l2'为端口二的等效电感折算到端口一的值，l3'为端口三的等效电感折算到端口一的值，l2'＝n
122
l2、l3'＝n
132
l3；为端口一的电流有效值；为端口二的电流有效值；为端口三的电流有效值；l
12
是端口一二的等效电感参数；l
13
是端口一三的等效电感参数；l
23
是端口二三的等效电感参数。此处的电流有效值表达式采用高频傅里叶级数分解推导所得，由不同频次的分量组成，其中，n＝1,3,5
…
。
[0061]
步骤5：采集三有源桥变换器在给定工况下端口二的实际传输功率p
2n
及端口三的实际传输功率p
3n
，根据采样精度确定功率的允许误差δp，以允许误差δp为约束条件，剔除数组p2*[m]、p3*[m]内不符合要求的数值，得到允许误差范围δp内的数组p2*[i]、p3*[i]，根据数组p2*[i]、p3*[i]和式(1)，剔除掉数组d2[m]、d3[m]、d4[m]中不符合要求的数值，得到新的数组d2[i]、d3[i]、d4[i]；根据数组d2[i]、d3[i]、d4[i]及式(2)、(3)、(4)、(5)，剔除掉数组σi
rms2
[m]中不符合要求的数值，得到新的数组σi
rms2
[i]；
[0062]
步骤6：针对数组σi
rms2
[i]中的数值寻优，得到三有源桥变换器在给定工况下的最小电流有效值平方和min(σi
rms2
)，并且得到最小电流有效值平方和min(σi
rms2
)下对应的移相比d2、d3、d4；
[0063]
步骤7：如图6所示，根据得到的最小电流有效值平方和min(σi
rms2
)和对应的移相比d2、d3、d4，生成控制各端口开关管开断的pwm控制信号。
[0064]
三有源桥变换器工作在现有的单移相控制下，端口二负载投切时的各端口直流侧电压波形如图7所示。在t＝0.8s时刻，端口二负载突然增加，导致端口电压v2跌落，端口电压v3受耦合功率的影响而上升；在t＝1.6s时刻，端口二负载突然减少，导致端口电压v2上升，端口电压v3受耦合功率的影响而跌落。三有源桥变换器工作在功率解耦移相控制下，端口二负载投切时的各端口直流侧电压波形如图8所示。在t＝0.8s时刻，端口二负载突然增加，导致端口电压v2跌落，端口电压v3保持500v不变；在t＝1.6s时刻，端口二负载突然减少，导致端口电压v2上升，端口电压v3保持500v不变。对比图7、8可知，三有源桥变换器工作在功率解耦移相控制下，端口二电压波动时，端口三不受影响，验证了功率解耦移相控制消除端
口间耦合功率的有效性。
[0065]
图9中(a)～(c)为电压调制比(端口一与端口二的电压比值k
12
及端口一与端口三的电压比值k
13
)k＝0.4时，端口三传输功率分别取p
3*
＝0.4、0.6、0.8工况下的解耦移相控制电流有效值优化效果；(d)～(f)为电压调制比(端口一与端口二的电压比值k
12
及端口一与端口三的电压比值k
13
)k＝0.6时，端口三传输功率分别取p
3*
＝0.4、0.6、0.8工况下的解耦移相控制电流有效值优化效果；(g)～(i)为电压调制比(端口一与端口二的电压比值k
12
及端口一与端口三的电压比值k
13
)k＝0.8时，端口三传输功率分别取p
3*
＝0.4、0.6、0.8工况下的解耦移相控制电流有效值优化效果。横向对比图9可知，三有源桥变换器在功率解耦移相控制下，工作于中低功率范围内的电流有效值优化效果更好，优化范围更大；纵向对比图9可知，三有源桥变换器在功率解耦移相控制下，工作于电压调制比更小的工况下时，电流有效值优化效果更好，优化范围更大。所以，功率解耦移相较于现有的单移相控制策略对三有源桥变换器的电流有效值有一定的优化效果，并且在电压调制比k
12
、k
13
较小的中低功率工况时，可实现优化的功率范围更大，电流有效值优化效果更好。
[0066]
单移相控制下三有源桥变换器的各端口电感电流波形如图10所示，此时三个端口的电流有效值平方和i
rms12
＝1.23ka2。功率解耦移相控制下三有源桥变换器的各端口电感电流波形如图11所示，此时三个端口的电流有效值平方和i
rms12
＝1.11ka2。对比图10、11可知，功率解耦移相控制下的电流有效值平方和更小，实现了电流有效值优化。
[0067]
本发明提出了一种三有源桥变换器功率解耦移相控制方法，消除端口间耦合功率的同时，变换器传输功率范围不会受到限制；提出了一种基于功率解耦移相的最小电流有效值控制方法，通过对功率解耦移相控制下的三有源桥变换器电流有效值表达式寻优，同时实现了三有源桥变换器端口间功率解耦和最小电流有效值控制，提升了三有源桥变换器的运行效率。
[0068]
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
[0069]
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。